徐佳，張炳毅

(中航工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所，北京100095)

0 引言

目前，振動(dòng)測量技術(shù)在航空航天、建筑交通、兵器船舶、企業(yè)制造等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。振動(dòng)測量方法分為接觸式測量和非接觸式測量兩類［1］。接觸式測量主要應(yīng)用壓電加速度計(jì)對(duì)振動(dòng)進(jìn)行測量，其安裝方式、安裝位置對(duì)測量有較大影響。激光測振技術(shù)是一種重要的非接觸式無損測量技術(shù)。該技術(shù)測量精度高、動(dòng)態(tài)范圍大，同時(shí)不影響被測物體的運(yùn)動(dòng)，有著廣闊的應(yīng)用與發(fā)展前景［2］。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)高溫環(huán)境下的振動(dòng)測量提出了工程需求。壓電加速度計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中存在靈敏度特性隨溫度變化的問題，單純依靠溫度響應(yīng)曲線進(jìn)行靈敏度修正難以獲得準(zhǔn)確的加速度，且使用壓電加速度計(jì)進(jìn)行測量能夠達(dá)到的溫度具有一定局限性［5］。激光測振技術(shù)在高溫環(huán)境下具有顯著的優(yōu)勢。本文對(duì)高溫環(huán)境下的激光測振技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 高溫激光測振試驗(yàn)系統(tǒng)及工作原理

高溫激光測振試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要由激光干涉儀、高溫試驗(yàn)箱和振動(dòng)臺(tái)組成，搭配計(jì)算機(jī)控制及采集系統(tǒng)，共同組成功能完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。振動(dòng)臺(tái)由功率放大器連接至計(jì)算機(jī)，為試驗(yàn)提供振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)。振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面中心剛性安裝參考加速度計(jì)，由該加速度計(jì)提供室溫下的標(biāo)準(zhǔn)加速度作為參考。高溫試驗(yàn)箱提供高溫環(huán)境，其頂部和底部中心分別開觀察孔。振動(dòng)臺(tái)通過安裝在動(dòng)圈上的動(dòng)圈連接桿經(jīng)底部觀察孔將振動(dòng)傳遞至高溫試驗(yàn)箱內(nèi)部。激光干涉儀發(fā)出激光，經(jīng)高溫試驗(yàn)箱頂部的觀察孔投射至動(dòng)圈連接桿上表面并反射回激光干涉儀，干涉信號(hào)經(jīng)激光干涉儀發(fā)送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算得出被測加速度。

圖1 高溫激光測振試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

為保證高溫試驗(yàn)箱氣密性及溫度均勻性，頂部觀察孔用石英片覆蓋，底部動(dòng)圈連接桿與溫箱壁之間用隔溫物質(zhì)填覆，以減少高溫試驗(yàn)箱工作時(shí)熱輻射及高溫空氣逸出對(duì)振動(dòng)臺(tái)工作的影響。

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)中使用的激光干涉儀為Ometron VH300 +，靈敏度為10 V/(m·s-1);高溫試驗(yàn)箱為中儀國科DHG-9070B，溫度范圍為室溫加10℃到300℃，溫度均勻度為±2℃;振動(dòng)臺(tái)為東菱ESS-025;參考用加速度計(jì)為PCB 301A11，靈敏度為100.6 mV/g。

2.1 動(dòng)圈連接桿傳遞效果分析

動(dòng)圈連接桿結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用分段設(shè)計(jì)，頂部和底部采用45 號(hào)鋼，便于安裝固定，中間采用氧化鋁陶瓷，更好地進(jìn)行隔熱。動(dòng)圈連接桿底部連接件為空心結(jié)構(gòu)，為參考加速度計(jì)的安裝預(yù)留空間。由于動(dòng)圈連接桿的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝方式的影響，采用動(dòng)圈連接桿將振動(dòng)臺(tái)的激勵(lì)信號(hào)傳遞至高溫試驗(yàn)箱內(nèi)部將會(huì)引入一定的誤差［4］。為減少誤差源，先就動(dòng)圈連接桿對(duì)振動(dòng)信號(hào)傳遞效果進(jìn)行分析。

圖2 動(dòng)圈連接桿結(jié)構(gòu)圖

在室溫下，先將參考加速度計(jì)301A11 與加速度計(jì)ENDEVCO 2270M8 以“背靠背”方式剛性安裝在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面中心，如圖3(a)所示。計(jì)算機(jī)控制振動(dòng)臺(tái)給出20 ～3000 Hz 標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，采用比較法對(duì)2270M8 在各頻率下的靈敏度進(jìn)行測量［3］，測量結(jié)果見圖4。再將參考加速度計(jì)301A11 剛性安裝在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面中心，動(dòng)圈連接桿剛性安裝在動(dòng)圈上，并將加速度計(jì)2270M8 剛性安裝在動(dòng)圈連接桿頂部中心，使三者同軸，如圖3(b)所示。計(jì)算機(jī)控制振動(dòng)臺(tái)給出20 ～3000 Hz 標(biāo)準(zhǔn)正弦信號(hào)，采用比較法對(duì)2270M8 在各頻率下的靈敏度進(jìn)行測量，測量結(jié)果見圖4。

圖3 加速度計(jì)安裝示意圖

圖4 動(dòng)圈連接桿傳遞效果

由圖4 可知，動(dòng)圈連接桿對(duì)振動(dòng)的傳遞效果與振動(dòng)頻率有關(guān)。當(dāng)振動(dòng)頻率小于等于1000 Hz 時(shí)，傳遞誤差絕對(duì)值在2.60%以內(nèi)，且隨著振動(dòng)頻率的增加傳遞誤差逐漸增大。當(dāng)振動(dòng)頻率大于1000 Hz 時(shí)，隨著振動(dòng)頻率的增加傳遞誤差迅速增大，當(dāng)振動(dòng)頻率為3000 Hz 時(shí)，傳遞誤差達(dá)到-81.21%?？梢?，動(dòng)圈連接桿在中頻下傳遞誤差較小，高頻下傳遞誤差迅速增大，這與動(dòng)圈連接桿的安裝扭矩、橫向振動(dòng)和諧振有關(guān)。因此，本文所設(shè)計(jì)的動(dòng)圈連接桿結(jié)構(gòu)僅適用于中頻實(shí)驗(yàn)。在后續(xù)激光測振試驗(yàn)中，試驗(yàn)頻率選定為160 Hz，以減小動(dòng)圈連接桿引入的傳遞誤差。

2.2 高溫環(huán)境下激光測振實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.2.1 高溫環(huán)境下加速度計(jì)溫度響應(yīng)

首先對(duì)高溫環(huán)境下加速度計(jì)2270M8 溫度響應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。由于2270M8 溫度響應(yīng)范圍為-54 ～177 ℃，設(shè)定高溫試驗(yàn)箱的溫度由50℃逐步增加至170 ℃，溫度間隔為20 ℃。將參考加速度計(jì)301A11 剛性安裝在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面中心，動(dòng)圈連接桿套在參考加速度計(jì)上且與振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面剛性連接，兩者不接觸，2270M8 安裝在動(dòng)圈連接桿頂部中心，三者同軸，如圖3(b)所示，采用比較法對(duì)2270M8 加速度進(jìn)行測量。測量結(jié)果見表1。

由表1 可知，使用比較法測得的2270M8 加速度均略小于參考加速度，隨著溫度的升高，加速度計(jì)靈敏度逐漸增大，導(dǎo)致比較法測得加速度與參考加速度的相對(duì)誤差逐漸增大。此外，常用壓電加速度計(jì)的工作溫度范圍通常不超過180 ℃，使得高溫環(huán)境下加速度測量具有一定的溫度局限性。

表1 高溫環(huán)境下2270M8 溫度響應(yīng)

2.2.2 高溫環(huán)境下激光測振與參考加速度對(duì)比

計(jì)算機(jī)控制振動(dòng)臺(tái)輸出頻率為160 Hz，設(shè)定高溫試驗(yàn)箱的溫度由50℃逐步增加至250℃，溫度間隔為20℃，采用激光測振法對(duì)動(dòng)圈連接桿上表面進(jìn)行加速度測量。同時(shí)，將參考加速度計(jì)301A11 剛性安裝在振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面中心，對(duì)加速度進(jìn)行測量作為參考。測量結(jié)果見表2。

由表2 可知，在高溫環(huán)境下激光測振法測得的加速度均略小于參考加速度。激光測振結(jié)果與參考值的相對(duì)誤差分布在-0.71%到-5.63%之間，在70℃時(shí)，相對(duì)誤差最大。為找到影響因素，按照本節(jié)方法再進(jìn)行3 組實(shí)驗(yàn)，所得激光測振法加速度與參考加速度相對(duì)誤差如圖5所示。

表2 不同溫度下激光測振結(jié)果

圖5 激光測振加速度與參考加速度相對(duì)誤差

由圖5 可知，激光測振所得加速度與參考加速度之間的相對(duì)誤差在-3.5%以內(nèi)，隨溫度變化隨機(jī)分布。其影響因素主要包括以下幾方面:①高溫試驗(yàn)箱控溫均勻度為±2℃，內(nèi)部空氣溫度不同導(dǎo)致的密度不同，使得激光在傳播中發(fā)生折射，從而影響測振結(jié)果;②每次測量時(shí)振動(dòng)臺(tái)提供的振動(dòng)加速度不完全相同，振幅也不完全相同，從而激光在動(dòng)圈連接桿上表面發(fā)生反射的位置也不相同。動(dòng)圈連接桿上表面未進(jìn)行拋光處理，不同位置的激光反射角度存在差異，從而影響測振結(jié)果。此外，表2 中70℃時(shí)相對(duì)誤差較大，還可能與高溫試驗(yàn)箱發(fā)生振動(dòng)等其他干擾有關(guān)。

采用該激光測振試驗(yàn)系統(tǒng)，在250℃高溫下激光測振依然能正常工作，彌補(bǔ)了壓電加速度計(jì)在高溫條件下測振的不足，且激光測振在高溫條件下具有較好的穩(wěn)定性和較高的精度。

3 結(jié)論

根據(jù)激光測振原理，搭建了一套高溫激光測振試驗(yàn)系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)分析了動(dòng)圈連接桿對(duì)振動(dòng)的傳遞效果，在中頻下傳遞誤差較小，高頻下傳遞誤差較大，并為高溫激光測振實(shí)驗(yàn)選定了實(shí)驗(yàn)頻率，減小了動(dòng)圈連接桿引入的誤差。采用該試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了高溫環(huán)境下的比較法測振和激光測振實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:壓電加速度計(jì)在高溫環(huán)境下測振具有一定的溫度局限性，激光測振能夠彌補(bǔ)壓電加速度計(jì)在高溫下測振的不足，且具有較好的穩(wěn)定性和較高的精度。

［1］趙錦春.激光測振在振動(dòng)計(jì)量中的發(fā)展概況及作用［J］.計(jì)量與測試技術(shù)，2011，38(6):11-13，15.

［2］鄭光亮.激光非接觸測振方法在振動(dòng)試驗(yàn)中的應(yīng)用［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2012.

［3］任紅磊，邵新慧.加速度計(jì)高頻振動(dòng)校準(zhǔn)中的相關(guān)技術(shù)問題［J］.計(jì)測技術(shù)，2010，30(4):33-35.

［4］李軍強(qiáng)，史楠楠.深井高溫對(duì)鉆柱橫向振動(dòng)固有頻率影響研究［J］.石油機(jī)械，2006，34(6):14-16.

［5］洪寶林.力學(xué)計(jì)量［M］.北京:原子能出版社，2002.